LG-WP01型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)

一、 設(shè)備組成
LG-WP01型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)主要由光伏供電裝置、光伏供電系統(tǒng)、風(fēng)力供電裝置、風(fēng)力供電系統(tǒng)、逆變與負(fù)載系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖1所示。LG-WP01型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，各裝置和系統(tǒng)具有獨(dú)立的功能，可以組合成光伏發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)。
(1)、設(shè)備尺寸：光伏供電裝置1610×1010×1550mm
風(fēng)力供電裝置：1578×1950×1540mm
實訓(xùn)柜：3200×650×2000mm
(2)、場地面積：20平方米

二、 各單元介紹
1、 光伏供電裝置
(1)、 光伏供電裝置的組成
光伏供電裝置主要由光伏電池組件、投射燈、光線傳感器、光線傳感器控制盒、水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)、擺桿、擺桿減速箱、擺桿支架、單相交流電動機(jī)、電容器、直流電動機(jī)、接近開關(guān)、微動開關(guān)、底座支架等設(shè)備與器件組成。4塊光伏電池組件并聯(lián)組成光伏電池方陣，光線傳感器安裝在光伏電池方陣中央。2盞300W的投射燈安裝在擺桿支架上，擺桿底端與減速箱輸出端連接，減速箱輸入端連接單相交流電動機(jī)。電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，通過減速箱驅(qū)動擺桿作圓周擺動。擺桿底端與底座支架連接部分安裝了接近開關(guān)和微動開關(guān)，用于擺桿位置的限位和保護(hù)。水平和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)由水平運(yùn)動減速箱、俯仰運(yùn)動減速箱、直流電動機(jī)、接近開關(guān)和微動開關(guān)組成。直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，水平運(yùn)動減速箱驅(qū)動光伏電池方陣作向東方向或向西方向的水平移動、俯仰運(yùn)動減速箱驅(qū)動光伏電池方陣作向北方向或向南方向的俯仰移動，接近開關(guān)和微動開關(guān)用于光伏電池方陣位置的限位和保護(hù)。
(2)、 光伏電池組件
光伏電池組件的主要參數(shù)為：
額定功率 20W
額定電壓 17.2V
額定電流 1.17A
開路電壓 21.4V
短路電流 1.27A
尺寸 430mm×430mm×28mm
2、 光伏供電系統(tǒng)
(1)、 光伏供電系統(tǒng)的組成
光伏供電系統(tǒng)主要由光伏電源控制單元、光伏輸出顯示單元、觸摸屏、光伏供電控制單元、DSP控制單元、接口單元、西門子S7-200PLC、繼電器組、接線排、蓄電池組、可調(diào)電阻、斷路器、12V開關(guān)電源、網(wǎng)孔架等組成。如圖3所示。
(2)、 控制方式
光伏供電控制單元的追日功能有手動控制盒自動控制兩個狀態(tài)，可以進(jìn)行手動或自動運(yùn)行光伏電池組件雙軸跟蹤、燈狀態(tài)、燈運(yùn)動操作。
(3)、 DSP控制單元和接口單元
蓄電池的充電過程及充電保護(hù)由DSP控制單元、接口單元及程序完成，蓄電池的放電保護(hù)由DSP控制單元、接口單元及繼電器完成，當(dāng)蓄電池放電電壓低于規(guī)定值，DSP控制單元輸出信號驅(qū)動繼電器工作，繼電器常閉觸點斷開，切斷蓄電池的放電回路。
(4)、 蓄電池組
蓄電池組選用4節(jié)閥控密封式鉛酸蓄電池，主要參數(shù)：
容量   12V 18Ah/20HR
重量   1.9kg
尺寸   345mm×195mm×20mm
3、 風(fēng)力供電裝置
(1)、 風(fēng)力供電裝置的組成
風(fēng)力供電裝置主要由葉片、輪轂、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙、尾舵、側(cè)風(fēng)偏航控制機(jī)構(gòu)、直流電動機(jī)、塔架和基礎(chǔ)、測速儀、測速儀支架、軸流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)支架、軸流風(fēng)機(jī)框罩、單相交流電動機(jī)、電容器、風(fēng)場運(yùn)動機(jī)構(gòu)箱、護(hù)欄、連桿、滾輪、萬向輪、微動開關(guān)和接近開關(guān)等設(shè)備與器件組成，如圖2所示。

圖2 風(fēng)力供電裝置

葉片、輪轂、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙、尾舵和側(cè)風(fēng)偏航控制機(jī)構(gòu)組裝成水平軸永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，安裝在塔架上。風(fēng)場由軸流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)支架、軸流風(fēng)機(jī)框罩、測速儀、測速儀支架、風(fēng)場運(yùn)動機(jī)構(gòu)箱體、傳動齒輪鏈機(jī)構(gòu)、單相交流電動機(jī)、滾輪和萬向輪等組成。軸流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)框罩安裝在風(fēng)場運(yùn)動機(jī)構(gòu)箱體上部，傳動齒輪鏈機(jī)構(gòu)、單相交流電動機(jī)、滾輪和萬向輪組成風(fēng)場運(yùn)動機(jī)構(gòu)。當(dāng)風(fēng)場運(yùn)動機(jī)構(gòu)中的單相交流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，傳動齒輪鏈機(jī)構(gòu)帶動滾輪轉(zhuǎn)動，風(fēng)場運(yùn)動機(jī)構(gòu)箱體圍繞風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架作圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)輸送可變風(fēng)量風(fēng)時，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)周圍形成風(fēng)向和風(fēng)速可變的風(fēng)場。
在可變風(fēng)場中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用尾舵實現(xiàn)被動偏航迎風(fēng)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出*大電能。測速儀檢測風(fēng)場的風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)場的風(fēng)量超過安全值時，側(cè)風(fēng)偏航控制機(jī)構(gòu)動作，使尾舵?zhèn)蕊L(fēng)45º，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速變慢。當(dāng)風(fēng)場的風(fēng)量過大時，尾舵?zhèn)蕊L(fēng)90º，風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于制動狀態(tài)。
4、 風(fēng)力供電系統(tǒng)
(1)、 風(fēng)力供電系統(tǒng)的組成
風(fēng)力供電系統(tǒng)主要由風(fēng)電電源控制單元、風(fēng)電輸出顯示單元、觸摸屏、風(fēng)力供電控制單元、DSP控制單元、接口單元、西門子S7-200PLC、繼電器組、接線排、可調(diào)電阻、斷路器、網(wǎng)孔架等組成。
(2)、 控制方式
風(fēng)力供電控制單元的偏航功能有手動和自動兩個狀態(tài)，可以進(jìn)行手動或自動可變風(fēng)向操作。
可變風(fēng)量是由變頻器控制軸流風(fēng)機(jī)實現(xiàn)。手動操作變頻器操作面板上的有關(guān)按鍵，使變頻器的輸出頻率在0-50Hz之間變化，軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在0至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化，實現(xiàn)可變風(fēng)量輸出。
(3)、 DSP控制單元和側(cè)風(fēng)偏航
風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，通過輪轂將扭矩輸入到傳動系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)速增加超過額定風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過快，發(fā)電機(jī)可能因超負(fù)荷而燒毀。
對于定槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加超過額定風(fēng)速時，如果氣流與葉片分離，風(fēng)輪葉片將處于“失速”狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不會因超負(fù)荷而燒毀。
對于變槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加時，可根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)整氣流對葉片的攻角。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，輸出功率可穩(wěn)定地保持在額定功率上。特別是在大風(fēng)的情況下，風(fēng)力機(jī)處于順槳狀態(tài)，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善。
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多數(shù)是定槳距風(fēng)輪，在大風(fēng)的情況下，采用側(cè)風(fēng)偏航控制使氣流與葉片分離，使風(fēng)輪葉片處于“失速”狀態(tài)，安全地保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。另外，還可以通過側(cè)風(fēng)偏航控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持恒定功率輸出。
5、 逆變與負(fù)載系統(tǒng)
(1)、 逆變與負(fù)載系統(tǒng)的組成
逆變與負(fù)載系統(tǒng)主要由逆變電源控制單元、逆變輸出顯示單元、逆變器、逆變器參數(shù)檢測模塊、變頻器、三相交流電機(jī)、發(fā)光管舞臺燈光模塊、警示燈、接線排、斷路器、網(wǎng)孔架等組成。
1)、逆變電源控制單元
逆變電源控制單元面板如圖19所示，逆變電源控制單元主要由斷路器、+24V開關(guān)電源、AC220V電源插座、指示燈、接線端子DT14和DT15等組成。
2)、逆變輸出顯示單元
逆變輸出顯示單元主要由交流電流表、交流電壓表、接線端子DT16和DT17等組成。
3)、逆變與負(fù)載系統(tǒng)主電路
逆變與負(fù)載系統(tǒng)主要由逆變器、交流調(diào)速系統(tǒng)、逆變器測試模塊、發(fā)光管舞臺燈光模塊和警示燈組成。
逆變器的輸入由光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或蓄電池提供，逆變器輸出單相220V、50Hz的交流電源。交流調(diào)速系統(tǒng)由變頻器和三相交流電動機(jī)組成，逆變器的輸出AC220V電源是變頻器的輸入電源，變頻器將單相AC220V變換為三相AC220V供三相交流電動機(jī)使用。逆變電源控制單元的AC220V電源由逆變器提供，逆變電源控制單元輸出的DC24V供發(fā)光管舞臺燈光模塊使用。逆變器測試模塊用于檢測逆變器的死區(qū)、基波、SPWM波形。
(2)、 逆變器
逆變器是將低壓直流電源變換成高壓交流電源的裝置，逆變器的種類很多, 各自的具體工作原理、工作過程不盡相同。本實訓(xùn)裝置使用的逆變器由DC-DC升壓PWM控制芯片單元、驅(qū)動+升壓功率MOS管單元、升壓變壓器、SPWM芯片單元、高壓驅(qū)動芯片單元、全橋逆變功率MOS管單元、LC濾波器組成。
6、 監(jiān)控系統(tǒng)
(1)、 監(jiān)控系統(tǒng)組成
監(jiān)控系統(tǒng)主要由一體機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)、接線排、電源插座、通信線、微軟操作系統(tǒng)軟件、力控組態(tài)軟件組成。
(2)、 監(jiān)控系統(tǒng)功能
1)、通信
監(jiān)控系統(tǒng)與控制器、PLC、儀表進(jìn)行通信。
2)、界面
①、監(jiān)控系統(tǒng)具有主界面，光伏供電系統(tǒng)界面，風(fēng)力供電系統(tǒng)界面，逆變與負(fù)載系統(tǒng)界面，風(fēng)光互補(bǔ)能量轉(zhuǎn)換界面，分別顯示各自的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。
②、光伏供電系統(tǒng)界面設(shè)置相應(yīng)的按鈕，實現(xiàn)光伏電池方陣自動跟蹤。
③、風(fēng)力供電系統(tǒng)界面設(shè)置相應(yīng)的按鈕，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)風(fēng)偏航控制。
④、具有光伏發(fā)電采集報表和風(fēng)力發(fā)電集報表，記錄光伏輸出電壓、電流，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流；逆變與負(fù)載系統(tǒng)的逆變輸出電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)并打印數(shù)據(jù)報表。
三、 主要實驗實訓(xùn)內(nèi)容
1)、離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃；
2)、根據(jù)功率要求，光伏電池組件的選擇、安裝和連接；
3)、根據(jù)功率要求，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇、安裝和連接；
4)、基于MCU的光伏電池組件*大功率跟蹤程序設(shè)計；
5)、基于MCU的風(fēng)力發(fā)電機(jī)*大功率跟蹤的程序設(shè)計；
6)、蓄電池容量匹配計算與選型；；
7)、蓄電池充放電參數(shù)設(shè)置、保護(hù)參數(shù)設(shè)置；
8)、逆變器參數(shù)設(shè)置；
9)、監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)及操作；
10)、光伏供電系統(tǒng)的調(diào)試；
11)、風(fēng)力供電系統(tǒng)的調(diào)試；
12)、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)試；
13)、電能質(zhì)量的監(jiān)測、調(diào)試和分析。
四、主要技術(shù)參數(shù)

一、風(fēng)力供電裝置
序號	名稱	技術(shù)參數(shù)	數(shù)量
1	水平軸永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)	輸出功率：300W 輸出（整流）電壓：＞ +12V 葉片旋轉(zhuǎn)直徑：1.2m 葉片數(shù)量：3個葉片材質(zhì)：玻璃纖維啟動風(fēng)速：1m/s 切入風(fēng)速：1.5m/s 安全風(fēng)速：25 m/s 偏航：程序控制自動偏航偏航電機(jī)：工作電壓（DC 24V）、轉(zhuǎn)速（25rpm）	1
2	風(fēng)速儀	輸出電壓：0-5V 風(fēng)碗數(shù)：3個	1
3	軸流通風(fēng)機(jī)	流量：2100m3/h 電壓：380V（由變頻器控制）全壓：215Pa 頻率：50Hz 功率：0.37Kw 轉(zhuǎn)速：1400r/min 軸流風(fēng)機(jī)支架軸流風(fēng)機(jī)框罩	1
4	風(fēng)向控制電機(jī)	減速比：1：40 電壓：AC220V 和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的鏈接機(jī)構(gòu)：鏈輪	1
二、光伏供電裝置
序號	名稱	技術(shù)參數(shù)	數(shù)量
1	電池組件	功率：20W 誤差：±5% 輸出電壓：17.2V 輸出電流：1.17A 開路電壓：21.4V 短路電流：1.27A 工作環(huán)境溫度：45℃±2℃ 尺寸：430×430×28mm	4
2	追日傳感器	輸出電壓：0-5V 跟蹤精度：1度結(jié)構(gòu)：4電橋	1
3	投射燈	擺臂機(jī)構(gòu)：渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)（2個減速箱）電壓：220V 頻率：50Hz 電流：1.36A *大功率：300W	2
4	追日機(jī)構(gòu)	結(jié)構(gòu)：渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)（減速箱）驅(qū)動：直流電機(jī) 軸數(shù)：雙軸二維	1
三、風(fēng)力供電系統(tǒng)
序號	名稱	技術(shù)參數(shù)	數(shù)量
1	電源控制單元	含漏電保護(hù)斷路器，AC220V和DC24V狀態(tài)指示燈、電源插座	1
2	風(fēng)電控制電源單元	含漏電保護(hù)斷路器，AC220V和DC24V狀態(tài)指示燈	1
3	觸摸屏	7",彩色	1
4	功能模塊	DSP核心板2812，通信控制板，風(fēng)力發(fā)電主電路板	1
5	直流輸入單元	電流表： DC 0-5A 電壓表： DC 0-500V 接口：RS485	1
6	風(fēng)力供電控制單元	風(fēng)場運(yùn)動方向：順時、逆時軸流風(fēng)機(jī)控制：給風(fēng) 偏航控制：偏航、停止自動控制：啟動、急停	1
7	PLC	S7-200 CPU224	1
8	變頻器	MM420-0.37Kw
9	可調(diào)電阻	范圍：0-1000Ω，無級可調(diào)（有刻度）	1
四、光伏供電系統(tǒng)
序號	名稱	技術(shù)參數(shù)	數(shù)量
1	電源控制單元	含漏電保護(hù)斷路器，AC220V和DC24V狀態(tài)指示燈、電源插座	1
2	光伏控制電源單元	含漏電保護(hù)斷路器，AC220V和DC24V狀態(tài)指示燈	1
3	觸摸屏	7",彩色	1
4	功能模塊	DSP核心板2812，通信控制板，光伏發(fā)電主電路板	1
5	直流輸入單元	電流表：PA1951-AK1G，DC 0-5A 電壓表：PZ195U-AK1G，DC 0-500V 接口：RS485	1
6	光伏供電控制單元	電池板跟蹤方向：東、南、西、北投光燈控制：燈1、燈2 投光燈運(yùn)動方向：東西、西東、停止自動控制：啟動、急停	1
8	PLC	S7-200 CPU226	1
9	可調(diào)電阻	范圍：0-1000Ω，無級可調(diào)（有刻度）	1
五、逆變與負(fù)載系統(tǒng)
序號	名稱	技術(shù)參數(shù)	數(shù)量
1	逆變輸出顯示單元	電流表：AC 0-5A 電壓表：AC 0-500V 接口：RS485	1
2	逆變控制電源單元	含漏電保護(hù)斷路器，AC220V和DC24V狀態(tài)指示燈	1
3	逆變器	輸入電壓：DC12V 輸入電壓范圍：DC9.5V-15.5V 輸出電壓：AC220V±5% 額定輸出電流：1.4A 輸出頻率：50Hz±0.5Hz 額定功率：300VA 輸出波形：正弦波波形失真：＜5% 轉(zhuǎn)換效率：＞85% 實驗?zāi)K：正弦波逆變器原理模塊
4	開關(guān)電源	型號：DR-120-24 輸入電壓：AC 220V 輸出電壓：DC 24V 輸出電流：5A	1
5	變頻器	MM420-0.37Kw	1
6	電機(jī)負(fù)載	功率：40W 電壓：AC220V 轉(zhuǎn)速：1350rpm	1
7	模擬舞臺燈光負(fù)載	二極管字樣為“KNT”的發(fā)光模塊	1
8	閥控密封式鉛酸蓄電池	容量 12V 18Ah/20HR 重量 1.9kg 尺寸 345mm×195mm×20mm	4
六、監(jiān)控系統(tǒng)
序號	名稱	技術(shù)參數(shù)	數(shù)量
1	直流電機(jī)負(fù)載	直流單片機(jī)負(fù)載	1
2	工控機(jī)	6個串口，含鍵盤鼠標(biāo)	1
3	組態(tài)軟件	力控	1
4	打印機(jī)	HP Deskjt 1000	1
七、實驗臺
序號	名稱	技術(shù)參數(shù)	數(shù)量
1	網(wǎng)孔板實驗臺	豎式網(wǎng)孔板基本結(jié)構(gòu)：下方為工具箱+4個輪子，上方為豎式網(wǎng)孔板尺寸：800(長)×600（寬×2000(高) 外框架構(gòu)成：鋁合金型材；內(nèi)嵌噴塑鋼板鋼板尺寸：1200mm×820mm 鋼板厚度：2mm 鋼板孔規(guī)格：上方孔尺寸6×10mm，孔左右間距為6mm，上下間距為6mm且錯位8mm；網(wǎng)孔板配有推拉式抽屜，抽屜采用型材外框、2mm鋼板底部；網(wǎng)孔架底部裝有滑輪。	4
2	微軟操作系統(tǒng)軟件	Window XP	1
	通訊電纜
	實驗指導(dǎo)書	風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實訓(xùn)指導(dǎo)書

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